Способ получения черни для поглотителей излучения Советский патент 1985 года по МПК H01L21/265 

Изобретение относится к cnoccffaM получения покрытий с низким коэффИ циентом отражения и вцсокой поглощательной способностью и может быть использовано для создания полупрово никовых фототермических преобразова телей солнечной энергии в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областя электромагнитного изЗтучения. Для получения высокоэффективных фотометрических преобразователей энергии необходимо, чтобы п.оглощакгщая поверхность имела возможно низ кий коэффициент отражения, высокий коэффициент поглощения и возможно низкий коэффициент- излучения. Полупроводники обычно.имеют высокую се лективную поглощательную способность и, нанесенные на подходящие м таллические подложки, низкий коэффи циент излучения. Однако из-за высокого коэффициента преломления отражение в видимом и ИК диапазонах д.ая большинства полупроводников велико (-50%). Для уменьшения такого высокого коэффициента отражения существует два основных метода. Первый метод - это нанесение просветляющих пленок из материала, у которого коэффициен преломления п равен геометрическому среднему от коэффициентов преломления подложки Пу и среды, в которой находится преобразователь,, п. Одна ко такие просветляющие пленки эф- фективны только в узком диапазоне длин волн. Другой метод - нанесение на поверхность полупроводни ка пленок с плавным уменьшением коэффициента преломления от величины п до значения п. Пленки с изменяе мым коэффициентом преломления можно получать из многокомпонентных мелко дисперсных соединений. Практически это можно осуществить, сформировав на поверхности по лупровод -шка колончатую структуру. Для эффективной работы такой поверхности необходимо, чтобы размеры колонн в плоскости пленки были порядка или меньше, чем длина волны па,дающего излучения, а тоЛ1вдна пере ходного слоя (-Тое, высота колонн) должна быть, по крайней мере, не ме нее четверти длины волны. Известен способ получения черни Д.ПЯ поглотителе излучения, включаю 1 щий химическое травление аморфного германия. Суть этого способа заключается в формировании на поверхности полу- проводника неоднородного покрытия (маски) с переменным по площади поверхности коэффициентом травления и последующем селективном травлении поверхности образца. Недостатками известного способа является сложность осуществления и многостадий- ность процесса. Кроме того, поглотители на основе Ge имеют низкие рабочие температуры и низкие механичес- кие характеристики (механическая прочность на истирание, твердость). Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ получения черни для поглотителей излучения, включающий ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки. Способ заключается в том, что поверхность пластины из германия бомбардируют в вакуумной камере ион- но-лучевого ускорителя ионами с массой М 55 (например, ij, ) при дозах облучения Д 3 -Ю ион/см, плотности ионного тока j 1 мкА/см и температуре мишени Т 100°С. В результате на поверхности пластины образуется ионнолегированный слой с низким коэффициентом отражения в видимой и ближней ИК областях спектра. Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими известными способами, а именно: высокую адгезию между черным слоем и подложкой, относитель- но простую технологию получения, возможность контроля режимов технологических операций. Однако этот способ имеет и существенные недостатки: относитель- но низкую максимальную рабочую температуру, малую механическую прочность на истирание и невысокую твердость поглощающей поверхности. Цель изобретения - улучшение качества поглощающей поверхности. Цель достигается тем, что по способу получения черни для поглотителей излучения, включающему ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки, в качестве материала подложки используют кремний, а бомбардировку проводят ионами переходных Зd-элeмeнтoв с энергией ионов 20-200 кэВ дозой 8-10 410 ион/см и плотностью потока ионов 2,5-10 1,5-10 ион/см, с. Выбор материала полупроводниковой подложки обусловлен тем, что из всех известных и широко доступных полупроводников кремний обладает наиболе высокими термическими и механическим свойствами. Тип бомбардирующего иона и режи- мы ионной бомбардировки определяются механизмом формирования колончатого микрорельефа поверхности образца. о Известно, что при ионной бомбардировке полупроводника большими доза ми концентрация бомбардирующего элемента может достигать значений, соответствующих стехиометрическим .соот Iношениям для соединений. Кроме того если растворимость легирующих атомов в полупроводнике мала, а скорость их диффузии велика, то внедряемые в подложку атомы либо выпадают в осадо либо образуют соединения. Причем так как в процессе ионной бомбардировки образуются также микропоры-и вьщеление вторичных фаз происходит наних (з общем случае на всех протяженных дефектах структуры), то вторичные фазы образуются в мелкодисперсном виде. При этом максимум распределения по глубине находится примернона расстоянии среднего проецированного пробега от поверхности. Одновременно с процессом синтеза при ионной бомбардировке происходит интенсивное распыление поверхности. При больших дозах бомбардировки поверхностный слой распыляется, и вторичные фазы выходят на поверхность. Коэффициент распьтения после этого становится существенно неоднородным по площади поверхности образца, и распыление далее идет селективно: коэффициент распыления у кремния выше, чем у силицидов. Таким образом на поверх ности образца формируется колончатый микрорельеф. Условиям, накладьшаемым на бомбар дирующий элемент (малая растворимост и высокий коэффициент диффузии в под ложке Si), удовлетворяют 3d.-элементы (например, Fe, Со, Ni, Мп, V, Сг). Режимы ионной бомбардировки указанных элементов определяются следующими условиями. 1 Энергия определяет, во-первых, глубину образования вторичных фаз, и, во-вторых, необходимый (максимальньш) коэффициент распыления бомбардируемого вещества. Максимум коэффициента распыления для Si находится в диапазоне 10-100 кэВ. Кроме того, минимальное значение энергии должно обеспечивать накопление концентрации бомбардирующего элемента для образования вторичных фаз до того, как последние вследствие распыления выйдут на поверхность. Экспериментально это значение опреде- лено в 20 кэВ. Максимальное значение энергии (200 кэВ) обусловлено тем что при больших значениях энергии глубина образования вторичных фаз значительно увеличивается ( А), что приводит к необоснованному увеличению дозы облучения для формирования неоднородного слоя. Плотность потока ионов j влияет на образование требуемой структуры как за счет увеличения коэффициента распыления при возрастании j, так и посредством увеличения температуры поверхности образца с ростом j. Минимальное .экспериментально найденное значение j, при котором образу- ется колончатая структура, равно 2,510 ион/см с. При увеличении j выше 1,5-10. ион/см -с температура образца может возрасти более чем до . Известно, что при Т 600°С в 31 отжигаются все радиационные нарушения и, таким образом, не образуются центры образования мелкодисперсных вторичных фаз. Кроме того, при Т 1000 С распадается большинство силицидов Зй-элементов. Доза облучения Д должна, во-первых, обеспечивать концентрацию внедряемого компонента, необходимую для синтеза силицида. Во-вторых, необходимо, чтобы с поверхности образца распылился слой, достаточный для образования требуемой структуры. Оба эти фактора ограничивают минималь- ное значение Д величиной 8-10 ион/ /см . Сверху величина Д в принципе не ограничена. Однако, учитывая тот факт, что увеличение дозы облучения выше некоторого значения практичес- ки не влияет на коэффициент отражения поглотителя и, кроме того, необоснованно увеличивает время ионной бомбардировки, верхнее значение 5 дозы облучения составляет 410 ион /см Примеры. Полированные механически и хими чески монокристаллические пластины кремния и п-типа бомбардируются в вакуумной камере ионно-лучевого ускорителя ионами Fe, Со, , Р, As Sb. Энергия ионов составляет 20200 кэВ, доза изменялась от 1й до 4,0-10 см . Плотность ионного тока варьировалась в пределах (0,6-15,0) с. Оптические спектры записьшались на спектрофотометре ИКС-14А со стан дартной приставкой до и пос ле термического нагрева в потоке су хого азота. Измерение механической прочности черни на истирание производится ме тодом скользящего нагруженного рези нового индентора путем многократно прохождения. Степень прочности на истирание оценивалось числом прохождений N до появления следов подгожки при одинаковой нагрузке на индентор {200 г). Полученные в ходе испытаний результаты сводятся к следующему. Чернь образуется при указанных ниже режимах бомбардировки кремния ионами Fe, Со 5 и не образуются при бомбардировке кремния ионами Р As, Sb-. Образование черни практически н зависит от типа бомбардирующих 3dэлементов (Fe, Со, Ni). 16 Образование черни зависит от режимов ионной бомбардировки: энергии, дозы, плотности ионного тока. При энергии вьше 20 кзВ и дозе 1,25 О у 10 см чернь появляется при плотности ионного тока выше 210 см с . Коэффициент отражения R при плотное- 1 ., 2 ти ионного тока 2, см с уменьшается с увеличением дозы бом- бардировки до 9-10 см , достигая уровня л, 2% (при Л I мкм); при дозе 8-10 см- К 10% (при -Л 1 мкм). Спектр отражения образца, под- вергнутого термическому отжигу при Т 1000 С в течение 30 мин, практически идентичен спектру отражения образца до отжига. Образцы черни, полученные по предлагаемому способу, обладают большей механической прочностью на истирание относительно образцов, полученных по прототипу. Таким образом, предложенный способ получения черни для поглотителей излучения в видимом и ближнем ИК диапазоне, сохраняя преимущества преобразователей солнечной энергии на ос- нове германия (по прототипу), а именно: высокую адгезию между черным слоем и подложкой, относительно простую технологию и точный контроль режимов технологических опера- ций, имеет также дополнительные пре- имущества: широкий диапазон рабочих температур и более высокую механическую прочность и твердость.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧЕРНИ ДЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки, о т л №чающийся тем, что, с целью ;улучшения качества поглощаницей поверхности, в качестве материала подложки используют кремний, а бомбардировку проводят ионами переходных 3d-элементов с энергией ионов 20- 200 кэВ дозой 8« 4-10® ион/cijt и плотностью потока ионов 2, - 1,5Ю ион/см, с.